Fahrzeugantriebssystem und Fahrzeugantriebseinheit

Insbesondere bei Containerhafenanlagen besteht das Bedürfnis nach Antriebssystemen, mit denen große Lasten schnell bewegt werden können, um auf diese Weise Umschlagszeiten für in Containern transportierten Gütern zu minimieren. Bisherige Rad- Schiene-Systeme können diese Anforderungen speziell bei sehr großen Containerhafenanlagen aufgrund verhältnismäßig geringer maximaler Beschleunigung im Bereich von ca. 0,4 m/s ² und sich daraus ergebender langer Transportzeiten nur ansatzweise erfüllen. Deutlich bessere Beschleunigungswerte und höhere Geschwindigkeiten bieten in W. -R. Canders et al . „Linear Motor Transfer Technology (LMTT) for Container Terminals" LDIA '98 Tokyo, Japan beschriebene Linearmotorsysteme.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der vorlie ^¬ genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Fahrzeugantriebssystem anzugeben, das einen schnellen Transport schwerer Lasten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeugan ^¬ triebssystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine für das erfindungsgemäße Fahrzeugantriebssystem geeignete Fahrzeugantriebseinheit in Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß zwei entlang eines Fahrweges umlaufend bewegliche An ^¬ triebsketten vorgesehen sind, und daß das erfindungsgemäße Fahrzeugantriebssystem zumindest zwei an einem Fahrzeug vor-

gesehene Antriebseinheiten mit jeweils zwei Zahnrädern zum Eingriff in eine Antriebskette und jeweils einer auf die je ^¬ weils zwei Zahnräder wahlweise einwirkenden Bremseinrichtung aufweist .

Eine erste umlaufende Antriebskette ist entlang einer ersten seitlichen Begrenzung eines Fahrweges beweglich, während eine zweite umlaufende Antriebskette entlang einer zweiten seitli ^¬ chen Begrenzung des Fahrweges beweglich ist. Eine erste Fahr- zeugantriebseinheit umfaßt ein erstes Zahnrad zum Eingriff in einen sich in eine erste Richtung bewegenden Abschnitt der ersten Antriebskette, ein zweites Zahnrad zum Eingriff in ei ^¬ nen sich in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegenden Abschnitt der ersten Antriebskette und eine auf das erste und/oder zweite Zahnrad einwirkende Brems ^¬ einrichtung. Eine zweite Fahrzeugantriebseinheit weist ein drittes Zahnrad zum Eingriff in einen sich in die erste Richtung bewegenden Abschnitt der zweiten Antriebskette, ein viertes Zahnrad zum Eingriff in einen sich in die zweite Richtung bewegenden Abschnitt der zweiten Antriebskette und eine auf das dritte und/oder vierte Zahnrad einwirkende Bremseinrichtung auf. Ein solches Fahrzeugantriebssystem erlaubt für Lasten von mehr als 100t Gewicht Beschleunigungen mit mindestens 1 m/s ² und ermöglicht einen Lastenausgleich in bezug auf die beiden Antriebsketten.

Eine besonders wirksame Kraftübertragung ergibt sich, wenn zumindest ein Zahnrad formschlüssig in eine Antriebskette greift .

Eine Bremseinrichtung kann entweder als Wirbelstrombremse o- der als in ein Stromnetz und/oder Batteriesystem zurückspeisender Gleichstrom-, Wechselstrom oder Drehstrommotor ausges-

taltet sein. Auch eine Kombination aus Wirbelstrombremse und zusätzlichem elektrischen Generator zur Versorgung elektrischer Verbraucher im Fahrzeug ist möglich. Eine Verwendung eines generatorisch betreibbaren Elektromotors als Bremsein- richtung bietet den Vorteil einer Energierückgewinnung anstelle einer Umsetzung von kinetischer Energie in thermische Energie wie bei herkömmlichen Bremseinrichtungen.

Zur bedarfsgerechten Regelung von Beschleunigung und Verzöge- rung ist eine Bremseinrichtung hinsichtlich ihres Bremsmoments vorzugsweise zwischen Leerlauf und vollem Bremsmoment stufenlos regulierbar.

Eine für das Fahrzeugantriebssystem gemäß Anspruch 1 geeigne- te Fahrzeugantriebseinheit umfaßt erfindungsgemäß ein erstes Zahnrad zum Eingriff in einen sich in eine erste Richtung bewegenden Abschnitt einer entlang eines Fahrweges umlaufend beweglichen Antriebskette. Des weiteren weist die erfindungs ^¬ gemäße Fahrzeugantriebseinheit ein zweites Zahnrad zum Ein- griff in einen sich in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegenden Abschnitt der Antriebskette auf. Außerdem umfaßt die Fahrzeugantriebseinheit eine auf das erste und/oder zweite Zahnrad einwirkende Bremseinrichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die

Figur ein schematisch dargestelltes Fahrzeugantriebssys ^¬ tem in der Draufsicht.

Ein in der Figur dargestelltes Fahrzeug 1 wird über zwei um ^¬ laufende mechanische Ketten 21 - 22 angetrieben. Dabei läuft an einer Längsseite des Fahrzeugs 1 eine erste Kette 21 in

einer ersten Richtung 4 und an der gegenüberliegenden Längsseite des Fahrzeugs 1 eine zweite Kette 22 sowie ein anderer Abschnitt 212 der ersten Kette 21 in einer entgegensetzten zweiten Richtung. Die umlaufenden Ketten werden 21 - 22 von zentralen Antriebseinheiten 31 - 32 auf konstanter Umlaufgeschwindigkeit gehalten. Diese konstante Umlaufgeschwindigkeit kann beispielsweise so groß sein wie die zu erreichende End ^¬ geschwindigkeit eines Fahrzeugs 1.

Am Fahrzeug 1 sind im vorliegenden Beispiel mindestens zwei Antriebseinheiten 11, 12 vorgesehen, die jeweils zwei Ritzel 111 - 112, 121 - 122 zum Eingriff in eine umlaufende Kette 21 - 22 aufweisen. Jeweils zwei Ritzel 111 - 112, 121 - 122 sind an eine Bremseinrichtung einer Antriebseinheit gekoppelt. Das Bremsmoment einer Bremseinrichtung kann zwischen Leerlauf - kein Bremsmoment - und dem vollem Bremsmoment - Blockieren der Ritzel 111 - 112, 121 - 122 - stufenlos variiert werden. Das Bremsmoment kann dabei einem vorgegebenen Sollwert fol ^¬ gen .

Eine erste Antriebseinheit 11 weist ein erstes Ritzel 111 zum Eingriff in einen sich in die erste Richtung 4 bewegenden Abschnitt 211 der ersten Kette 21, ein zweites Ritzel 112 zum Eingriff in einen sich in die zweite Richtung bewegenden Ab- schnitt 212 der ersten Kette 21 und eine auf das erste und/oder zweite Ritzel 111 - 112 einwirkende Bremseinrichtung auf. In analoger Weise umfaßt die zweite Antriebseinheit 12 ein drittes Ritzel 121 zum Eingriff in einen sich in die erste Richtung 4 bewegenden Abschnitt 221 der zweiten Kette 22, ein viertes Ritzel 122 zum Eingriff in einen sich in die zweite Richtung bewegenden Abschnitt 222 der zweiten Kette 22 und eine auf das dritte und/oder vierte Ritzel 121 - 122 ein ^¬ wirkende Bremseinrichtung.

Im Leerlauf laufen die Ketten 21 - 22 frei am Fahrzeug 1 vorbei, und es wird keine Kraft von den Ketten 21 - 22 auf das Fahrzeug übertragen. Das Fahrzeugs 1 befindet sich beispiels- weise während des Stillstandes im Leerlauf. Soll das Fahrzeug 1 in die erste Richtung 4 als Fahrtrichtung bewegt werden, so wird am ersten Ritzel 111 und am dritten Ritzel 121 ein Bremsmoment vorgegeben. Entsprechend dem wirksamen Durchmes ^¬ ser der Ritzels 111, 122 wird dadurch eine Vortriebskraft von den umlaufenden Ketten 21 - 22 auf das Fahrzeug 1 übertragen. Die Mitnehmerkraft einer Bremseinrichtung ergibt sich aus dem Quotienten von Bremsmoment und wirksamem Radius des Ritzels 111, 121. An einem Fahrzeug 1 können mehrere erste und zweite Antriebseinheiten angebracht sein. Da je eine Längsseite des Fahrzeugs 1 für eine Fahrtrichtung zuständig ist, ergibt sich die gesamte Vorschubkraft aus der Summe der Vorschubkräfte der Antriebseinheiten an der entsprechenden Längsseite. Während das Fahrzeug 1 durch die Mitnehmerkraft beschleunigt wird, verringert sich die Relativgeschwindigkeit zwischen je- weiligen Abschnitten 211, 221 der Ketten 21 - 22 und dem

Fahrzeug 1. Wenn die Drehungen der Ritzel 111, 121 vollständig abgebremst sind, dann läuft das Fahrzeug 1 synchron zu den jeweiligen Abschnitten 211, 221 der Umlaufketten 21 - 22.

Es ist möglich, das Drehmoment, das von den Bremseinrichtungen erzeugt wird, durch Getriebe auf die Ritzel 111 - 112, 121 - 122 anzupassen. Insbesondere bei der Verwendung von generatorisch oder magnetisch wirkenden Bremseinrichtungen kann dies sinnvoll sein.

Die Beschleunigung des Fahrzeugs 1 kann über das Bremsmoment der Antriebseinrichtungen 11, 12 vorgegeben werden. Sofern die Ritzel 111, 121 formschlüssig in die Ketten 21 - 22 ein-

greifen, sind wesentlich höhere Beschleunigungen als mit Rad- Schiene-Systemen möglich.

Soll das Fahrzeug 1 verzögert werden, so kann Bremsmoment auf das zweite Ritzel 112 und das vierte Ritzel 122 vorgegeben werden, die in die sich in die zweite Richtung entgegen zur Fahrtrichtung bewegenden Abschnitte 212, 222 der Umlaufketten 21 - 22 eingreifen. Auf diese Wiese ist es möglich, durch entsprechend dosierte Vorgabe von Bremsmomenten, das Fahrzeug 1 an einer gewünschten Position zum stehen zu bringen. Ist die gewünschte Position erreicht, kann das Fahrzeug durch Blockieren von Tragrädern in der jeweiligen Position gehalten werden. Das Verzögern des Fahrzeugs 1 durch Eingriff in eine Gegenkette bzw. in einen gegenläufigen Kettenabschnitt ermög- licht höhere Verzögerungswerte als dies reibungsgebundene Rad-Schiene-System zulassen würden.

Zu Begin einer Beschleunigungsphase ist die Bremsleistung groß, weil die Drehzahl eines Ritzels groß ist. Gegen Ende des Beschleunigungsphase ist die Bremsleistung gering, weil die Drehzahl eines Ritzels gering ist. Da die Bremsleistung zeitweise recht große Werte annehmen kann, erweist es sich als vorteilhaft, als Bremseinrichtung eine rückspeisefähige Einheit vorzusehen. Wird auf die Rückspeisefähigkeit verzich- tet, dann vereinfacht sich der Aufwand. Die einzelnen Anwen ^¬ dungsszenarien werden nachfolgend vorgestellt.

BREMSEINRICHTUNG MIT PASSIVER MECHANISCHER BREMSE OHNE RüCKSPEISUNG

Die Leistungen einer Bremseinrichtung während des Beschleunigungsvorgangs sind vergleichbar mit Bremsleistungen von Lastkraftwagen. Daher könnte als Bremseinrichtung eine LKW-Bremse

verwendet werden, die beispielsweise pneumatisch oder hydrau ^¬ lisch angesteuert wird. Im Gegensatz zum Sicherheitskonzept bei LKWs ist aber der sichere Zustand nicht die Blockierung sondern die öffnung der Bremse, weil bei blockierter Brems- einrichtung der Fahrzeug synchron zur Umlaufkette mitgezogen wird.

Die LKW-Bremse speist keine Energie zurück. Wenn dennoch e- lektrische Energie, beispielsweise für die Hilfs- und Steue- rungsfunktionen, im oder auf dem Fahrzeug zur Verfügung stehen soll, dann können zusätzlich kleinere Generatoreinheiten am Fahrzeug angebracht sein, die bei vorhandener Relativge ^¬ schwindigkeit zwischen Umlaufkette und Fahrzeug über das Rit ^¬ zel angetrieben werden. Wird das generatorische Drehmoment gleichmäßig auf zwei entlang eines Fahrweges zueinander ge ^¬ genläufige Kette aufgeteilt, dann verschwindet die Kraftwir ^¬ kung auf den Fahrzeug und stört die Positionierung nicht.

Anstelle von LKW-Bremseinrichtungen können auch Wirbelstrom- Bremseinrichtungen mit mechanisch oder elektrisch steuerbarem Bremsmagnetfeld eingesetzt werden. Eine Wirbelstrom- Bremseinrichtung mit elektrisch steuerbarem Bremsmagnetfeld kann beispielsweise ein Norm-Asynchronmotor sein, der mittels Gleichstrom erregt wird. Die Schlupfkennlinie eines solchen Norm-Asynchronmotors läßt sich dann mittels Getriebe an das erforderliche Drehmoment des Mitnehmerritzels anpassen.

BREMSEINRICHTUNG MIT AKTIVER RüCKSPEISUNG üBER DREHSTROMMOTOREN

Als Bremseinrichtungen können bürstenlose Drehstrommotoren eingesetzt werden. Das Motormoment kann auch hier mittels Ge ^¬ triebe an das erforderlich Drehmoment des Ritzels angepaßt

werden. Beim Bremsen wird die Energie in einen Gleichspannungszwischenkreis zurückgespeist. Damit die Zwischenkreis- spannung während des Bremsens konstant bleibt, sollte der Gleichspannungszwischenkreis batteriegestützt sein.

Da beim Beschleunigen und Verzögern des Fahrzeugs stets Energie zurückgespeist wird, sollte drauf geachtet werden, daß die Energiebilanz des batteriegestützten Gleichspannungszwischenkreises ausgeglichen ist. Gegebenenfalls sollte über- schüssige Energie wieder aus dem Zwischenkreis entnommen wer ^¬ den. Dies kann beispielsweise beim Stillstand des Fahrzeugs geschehen. Im Fahrzeugstillstand können die Bremseinrichtungen motorisch betrieben werden. Wenn das Moment gleichmäßig auf die beiden gegenläufigen Ketten verteilt wird, hebt sich die Kraftwirkung auf das Fahrzeug auf und beeinträchtigt nicht die Genauigkeit der Positionierung. Die Kette wird die zugeführte mechanische Energie dann an die zentralen An ^¬ triebseinheiten abgeben, wobei die Motoren der zentralen Antriebseinheiten die Energie generatorisch in ein Stromnetz zurückspeisen.

Ein Ausgleich der Zwischenkreis-Energiebilanz kann auch dadurch erfolgen, daß die Kette mit geringerer Geschwindigkeit umläuft, als für die Endgeschwindigkeit der Fahrzeugs vorge- sehen ist. In einer ersten Beschleunigungsphase wird das

Fahrzeug durch Bremsen des Ritzels und Mitziehen auf die Ge ^¬ schwindigkeit der Kette beschleunigt. In einer zweiten Phase werden die Bremseinrichtungen motorisch betrieben, so daß das Fahrzeug gegenüber der Kette beschleunigt wird und eine höhe- re Geschwindigkeit als die der Kette annimmt.

Als Motoren für die aktive Rückspeisung mit Drehstrommotoren kommen grundsätzlich sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren in Frage.

BREMSEINRICHTUNG MIT AKTIVER RüCKSPEISUNG üBER GLEICHSTROMMO ^¬ TOREN

Beim Bremsen mit Drehstrom-Bremseinrichtungen sind erforderliche Umrichter grundsätzlich für eine der Antriebsleistung des Fahrzeugs entsprechende Leistung auszulegen. Für typische Anwendungsfälle können dies mehrere 100 kW sein. Die Umricht ^¬ erleistung kann verkleinert werden, indem ein fremderregter Gleichstrommotor für die Bremseinrichtung verwendet wird. Durch Ansteuerung der Erregerwicklung läßt sich ein gewünsch- tes Bremsmoment einstellen. Im Vergleich zur Antriebsleistung ist dann zum Ansteuern der Erregerwicklung nur ein Bruchteil der Leistung notwendig.

Die Motorwicklung kann an einen Zwischenkreis geschaltet sein und Strom in diesen zurückspeisen. Im Leerlauf - Stillstand des Fahrzeugs - kann die Motorwicklung vom Zwischenkreis ge ^¬ trennt werden.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.